Un nouveau type de matériau hautement réactif a été découvert dans l’atmosphère

Une toute nouvelle classe de composés chimiques super-réactifs, les trioxydes, a été découverte dans des conditions atmosphériques.

Pour la première fois, une toute nouvelle classe de composés chimiques super réactifs dans les conditions atmosphériques a été découverte. Des scientifiques de l’Université de Copenhague, en étroite collaboration avec leurs collègues internationaux, ont documenté la formation du soi-disant trioxyde – un composé chimique hautement oxydant qui affecte très probablement la santé humaine et notre climat mondial.

Le peroxyde d’hydrogène est un composé chimique bien connu. Étant donné que tous les peroxydes contiennent deux atomes d’oxygène liés ensemble, ils sont très réactifs et souvent combustibles et explosifs. Ils sont utilisés pour tout, du blanchiment des dents et des cheveux au nettoyage des plaies et même comme carburant de fusée. Cependant, les peroxydes se trouvent également dans l’air qui nous entoure.

Il y a eu des spéculations ces dernières années sur la question de savoir si les trioxydes – des composés chimiques avec trois atomes d’oxygène liés ensemble, et donc plus réactifs que les peroxydes – sont également présents dans l’atmosphère. Mais jusqu’à présent, cela n’a pas été définitivement prouvé.

« C’est ce que nous avons accompli maintenant », déclare le professeur Henrik Grom Kjærgaard, du département de chimie de l’Université de Copenhague. Kjærgaard est l’auteur principal de l’étude, qui a été publiée le 26 mai 2022 dans la prestigieuse revue, Science.

Professeur Henrik Grum Kjærgaard dans le laboratoire. Crédit : Université de Copenhague

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Les types de composés que nous avons découverts sont uniques dans leur structure. Et parce qu’il est hautement oxydant, il provoque probablement une gamme d’effets que nous n’avons pas encore révélés.

Les hydroxydes (ROOOH), comme on les appelle, sont une toute nouvelle classe de composés chimiques. Des chercheurs de l’Université de Copenhague (UCPH), ainsi que des collègues du Leibniz Tropospheric Research Institute (TROPOS) et du California Institute of Technology (Caltech), ont montré que ces composés se forment dans des conditions atmosphériques.

Réaction : ROO + OH → ROOOH (atomes d’oxygène en rouge). Lorsque des composés chimiques dans l’atmosphère sont oxydés, ils réagissent souvent avec les radicaux OH, formant de nouveaux radicaux. Lorsque ce radical réagit avec l’oxygène, il forme un troisième radical appelé peroxyde (ROO), qui à son tour peut réagir avec les radicaux OH, formant ainsi des hydroxydes (ROOOH). Crédit : Université de Copenhague

Les chercheurs ont également montré que des hydrotrioxydes se forment lors de la décomposition atmosphérique de plusieurs substances connues et largement diffusées, notamment l’isoprène et le sulfure de diméthyle.

« Il est très important que nous puissions maintenant montrer, par l’observation directe, que ces composés se forment effectivement dans l’atmosphère, qu’ils sont étonnamment stables et qu’ils sont constitués de presque tous les composés chimiques », déclare Jing Chen, un doctorante au Département de chimie et deuxième auteur de l’étude.Toute spéculation doit désormais être écartée.

Les hydrotrioxydes se forment lors d’une réaction entre deux types de radicaux (voir figure ci-dessous). Les chercheurs prédisent que presque tous les composés chimiques formeront des oxydes d’hydrogène dans l’atmosphère et estiment que leur durée de vie varie de quelques minutes à quelques heures. Cela le rend suffisamment stable pour interagir avec de nombreux autres véhicules aériens.

Vraisemblablement absorbé dans les aérosols

L’équipe de recherche soupçonne également fortement le trioxyde de carbone de sa capacité à pénétrer les particules fines en suspension dans l’air, appelées aérosols, qui sont dangereuses pour la santé et peuvent entraîner des maladies respiratoires et cardiovasculaires.

Ils sont plus susceptibles d’entrer dans l’aérosol, où ils formeront de nouveaux composés avec de nouveaux effets. Il est facile d’imaginer que de nouvelles substances se forment dans des aérosols nocifs en cas d’inhalation. « Une enquête plus approfondie est nécessaire pour traiter ces effets potentiels sur la santé », déclare Henrik Grum Kjærgaard.

Bien que les aérosols affectent également le climat, ils sont parmi les plus difficiles à décrire dans les modèles climatiques. Selon les chercheurs, il est fort possible que les oxydes aqueux affectent le nombre d’aérosols produits.

La configuration en laboratoire d’une expérience d’écoulement libre à jet à TROPOS à Leipzig, fournissant pour la première fois cette preuve directe que la formation d’hydroxydes (ROOOH) se produit également dans des conditions atmosphériques à partir de la réaction de radicaux peroxy (RO2) avec des radicaux hydroxyle (OH) . Crédit : Tilo Arnold, TROPOS

« Parce que la lumière du soleil est réfléchie et absorbée par les aérosols, cela affecte l’équilibre thermique de la Terre – la proportion de lumière solaire que la Terre absorbe et renvoie dans l’espace. Lorsque les aérosols absorbent des substances, ils se développent et contribuent à la formation de nuages, ce qui affecte le climat de la Terre comme eh bien. », explique le co-auteur et PhD. Étudiante, Eva R. Kjærgaard.

L’effet du composé nécessite une étude plus approfondie

Les chercheurs espèrent que la découverte des oxydes d’eau nous aidera à en savoir plus sur l’effet des produits chimiques que nous émettons.

La plupart des activités humaines entraînent le rejet de produits chimiques dans l’atmosphère. Ainsi, connaître les interactions qui déterminent la chimie atmosphérique est important si nous voulons être en mesure de prédire comment nos actions affecteront l’atmosphère à l’avenir », a déclaré le co-auteur et post-doctorant, Christian H. Muller.

Jusqu’à présent, ce n’était que des spéculations sur les hydrotrioxydes (ROOOH), que ces composés organiques avec le groupe inhabituel OOOH seraient présents. Dans des expériences de laboratoire au TROPOS à Leipzig, sa formation lors de l’oxydation d’hydrocarbures importants, tels que l’isoprène et l’alpha-pinène, peut maintenant être démontrée. Crédit : Tilo Arnold, TROPOS

Cependant, ni lui ni Henrik Grom Kiergaard ne sont préoccupés par la nouvelle découverte :

« Ces composés ont toujours existé – nous ne savions rien à leur sujet. Mais le fait que nous ayons maintenant des preuves que des composés se forment et vivent pendant un certain temps signifie qu’il est possible d’étudier leur effet de manière plus ciblée et de réagir s’ils se transforment. s’est avéré dangereux », déclare Henrik Grum Kjærgaard.

« La découverte suggère qu’il peut y avoir beaucoup d’autres choses dans l’air que nous ne connaissons pas encore. En fait, l’air qui nous entoure est un énorme enchevêtrement de réactions chimiques complexes. En tant que chercheurs, nous devons être ouverts- d’esprit si nous voulons mieux évoluer dans la recherche de solutions », conclut Jing Chen.

Référence : « La formation d’hydrotrioxyde (ROOOH) dans l’atmosphère » par Torsten Berndt, Jing Chen et Eva R. Henrik G. Kjaergaard, 26 mai 2022, disponible ici. Science.
DOI : 10.1126 / science.abn6012

À propos de l’étude

• Alors que les théories derrière les nouveaux résultats de recherche ont été développées à Copenhague, des expériences utilisant la spectrométrie de masse ont été menées, en partie à l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) en Allemagne, et en partie au California Institute of Technology (Caltech) aux États-Unis.
• Alors que des concentrations plus élevées doivent être utilisées dans de nombreuses expériences, ces expériences sont réalisées dans un environnement presque identique à l’atmosphère, ce qui rend les résultats très fiables et comparables à l’atmosphère. La mesure des hydroxydes est rendue possible grâce à des instruments de mesure très sensibles.
• L’étude a été menée par : Torsten Berndt, Andreas Tilgner, Erik H. Hoffmann et Hartmut Hermann de l’Institut Leibniz pour la recherche troposphérique (TROPOS) ; Jing Chen et Eva R. Kiergaard, Christian H. Muller et Henrik Grom Kiergaard du Département de chimie de l’Université de Copenhague ; et Jean D. Krones et Paul Weinberg au California Institute of Technology.